楊新華 曹 磊 張曉英

(1. 蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050；2. 甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730050)

1 引言①

隨著越來越多的新能源接入，以及直流用電負(fù)荷的增多，為電網(wǎng)帶來一系列電能質(zhì)量問題。相較于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)具有容量大、損耗小、電能質(zhì)量好、無需無功補(bǔ)償以及適用于各類電源與負(fù)載接入等優(yōu)點(diǎn)，因此研究直流配電網(wǎng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

電能路由器是信息控制與能量控制結(jié)合的統(tǒng)一控制中心[4-5]，是直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備，主要負(fù)責(zé)中壓直流配網(wǎng)與低壓直流微電網(wǎng)的能量與信息的統(tǒng)一管理。直流電能路由器由多組直流變換單元組合輔以高性能通信控制系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)其進(jìn)行宏觀優(yōu)化的綜合控制是提升控制效果的有效途徑[6]。按照各個(gè)變換器分別進(jìn)行獨(dú)立控制時(shí)，這種控制易于實(shí)現(xiàn)，但是在端口能量變化的過程中會(huì)加重直流母線的能量承載壓力，降低直流母線的響應(yīng)性能。為了提升直流母線的瞬態(tài)響應(yīng)性能，第一種是用容量、重量、體積更大的直流母線電容作為能量池，這種方法會(huì)增加變換器組的復(fù)雜度；第二種是使用宏觀的整體控制技術(shù)搭建整個(gè)變換單元的端口功率等效電路，依靠變換器之間的相互關(guān)系進(jìn)行整體式的綜合控制。第二種方法將電能路由器看成能量變換的整體，控制能量在變換器之間傳遞的快速性和穩(wěn)定性，能夠增強(qiáng)直流母線的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，進(jìn)而減少母線電容[5]。

無源控制方法是根據(jù)整體的能量作為控制目標(biāo)，有穩(wěn)定的性能[6]。耗散性控制是利用系統(tǒng)的能量耗散建立關(guān)于系統(tǒng)能量的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)關(guān)于能量函數(shù)的控制器，有良好的穩(wěn)健程度[7-9]。針對(duì)三端口交流電能路由器建立了針對(duì)高低壓兩級(jí)直流母線的能量平衡控制器，提高了控制的穩(wěn)態(tài)性能，并調(diào)整了時(shí)間尺度控制方法，對(duì)于交流電能路由器有著較好的效果[6]。文獻(xiàn)[10]針對(duì)配電網(wǎng)，設(shè)置了基于配電網(wǎng)端口能量平衡的李雅普諾夫函數(shù)，根據(jù)運(yùn)行情況確定控制目標(biāo)，可以控制降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

上述及已有的文獻(xiàn)研究中根據(jù)能量平衡關(guān)系進(jìn)行控制時(shí)，僅對(duì)變換器母線能量聚合列出關(guān)系，并對(duì)多級(jí)關(guān)系進(jìn)行解耦控制，針對(duì)端口的能量控制也僅僅是對(duì)于配電網(wǎng)進(jìn)行控制，并未對(duì)單獨(dú)電能路由器進(jìn)行控制。本文針對(duì)直流配電網(wǎng)電能路由器單低壓直流母線拓?fù)?，利用路由器的各輸入輸出點(diǎn)的能量關(guān)系進(jìn)行能量均衡控制。同時(shí)針對(duì)雙有源橋輸入均壓和低壓母線的能量穩(wěn)定問題，采用兩級(jí)控制模型，本文中的模型均采用理想模型。

2 直流電能路由器模型

本文設(shè)計(jì)變換電路如圖1所示，為面向直流配電網(wǎng)的四端口直流電能路由器，其中大容量直流變換為提高系統(tǒng)容量采用4個(gè)模塊化雙有源直流變直流全橋(Dual active bridge，DAB)模塊串入并出，將接入的中壓直流變換為低壓直流提供給低壓直流端口，逆變器為三相兩電平變換器，為配合現(xiàn)有家庭配網(wǎng)提供三相接口，直流母線并聯(lián)一個(gè)DC/DC變換器供新能源或儲(chǔ)能裝置使用。

分別對(duì)變換電路各部分建立平均等效模型，對(duì)于逆變器及濾波的控制不作為本文主要研究點(diǎn)，為簡(jiǎn)化控制，將三相逆變輸出濾波用一個(gè)等效阻抗代替[11]。對(duì)于直流電能路由器的平均等效模型的端口流進(jìn)流出的功率進(jìn)行累計(jì)積分，可以得到各端口能量關(guān)系，得到直流電能路由器的平均等效電路圖如圖2所示，其中dx為第x個(gè)雙有源橋單元的等效移相控制占空比，UH以及UL為變壓器兩側(cè)電壓值。

式中，變量的下標(biāo)H、L分別表示直流電能路由器的高壓直流輸入側(cè)與低壓母線側(cè)；SE表示電能路由器注入的能量；CHiEΔ表示雙有源變換單元前各個(gè)均壓電容的能量；ΔECL表示低壓直流母線均壓電容的能量；ELoad為負(fù)載輸出的能量；上標(biāo)*則表示該變量的相應(yīng)給定值。端口能量模型中包含6個(gè)方程，反映了電能路由器運(yùn)行時(shí)各個(gè)端口能量和內(nèi)部無源器件存儲(chǔ)的能量的變化關(guān)系。

由于串入并出的雙有源變換橋模塊高壓端的均壓電容并不能保證其品質(zhì)的一致性，其均壓?jiǎn)栴}會(huì)使得開關(guān)管應(yīng)力過大，同時(shí)變換模塊的前后級(jí)存在能量波動(dòng)相互耦合的問題。本文首先針對(duì)低壓母線的能量穩(wěn)定設(shè)計(jì)了端口能量平衡的控制器，針對(duì)均壓?jiǎn)栴}提出進(jìn)一步優(yōu)化控制目標(biāo)的兩級(jí)式綜合控制方法。

3 端口能量平衡的控制方法

采用雙有源橋模組串入并出控制低壓直流母線電壓時(shí)，以式(1)的能量模型作為控制的落腳點(diǎn)，考慮變換器件的開關(guān)能量損耗，將低壓直流母線連接器件的所有開關(guān)損耗與無源損耗用ELoss1表示，則直流母線上的能量在一個(gè)周期ST內(nèi)的能量平衡關(guān)系式

則控制響應(yīng)時(shí)間TS內(nèi)的平均功率值為

式中PLoad、PLoss1分別為直流母線的消耗功率和損失功率。

而單模塊雙有源橋的傳輸功率為

式中，UH_s和UL_s分別是雙有源橋一、二次側(cè)的電壓值；n為隔離變壓器變比；fS為雙有源橋的控制頻率；Lk為隔離變壓器的漏感。在均壓的情況下，四組變換單元均功率傳輸，則式(3)可以改寫成

近似化簡(jiǎn)處理后，得到一致的雙有源橋占空比表達(dá)式為

雙有源橋控制器存在延遲，可以用一階慣性環(huán)節(jié)代替，時(shí)間常數(shù)為Td，雙有源橋模型的傳輸系數(shù)為

圖3為母線電壓控制框圖。

對(duì)級(jí)聯(lián)雙有源橋采用能量平衡的控制方法進(jìn)行均壓控制。當(dāng)電容能夠均壓時(shí)，四級(jí)聯(lián)雙有源橋傳輸功率相等，但是由于串聯(lián)的均壓電容不一致，在占空比相同的情況下，均壓?jiǎn)栴}會(huì)導(dǎo)致雙有源橋傳輸功率不相同，開關(guān)管應(yīng)力不均。

理想情況下的雙有源橋傳輸功率為式(3)，當(dāng)級(jí)聯(lián)雙有源橋均壓不一致時(shí)，單級(jí)模塊實(shí)際傳輸?shù)墓β逝c理想傳輸功率差額為

式中，UCHi為存在電壓偏差時(shí)各分壓電容即雙有源橋輸入端的電壓值。將功率偏差歸算到各自的占空比即

式中，ki表示將功率偏差歸算后，對(duì)原始占空比進(jìn)行均壓調(diào)整后的調(diào)整系數(shù)?？梢钥闯?，調(diào)整過程是一個(gè)根據(jù)能量均衡目標(biāo)的一個(gè)比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。將這一均壓環(huán)節(jié)代回到式(6)后得到均壓后針對(duì)每一組雙有源橋的占空比表達(dá)式

圖4為均壓控制框圖，系統(tǒng)通過平衡各個(gè)輸入輸出端口的能量，通過能量平衡控制器得出初步的雙有源橋等效占空比d。繼而通過對(duì)比各變換單元存在的功率偏差，與初步占空比d作比較。由于每組偏差各不相同，通過計(jì)算可以得出d1～d4，即各自單元的等效占空比。

本文針對(duì)于電能路由器的綜合型控制，對(duì)于雙有源橋的控制采用基礎(chǔ)的單移相控制方法，在單移相控制中，全橋電路的對(duì)角管的驅(qū)動(dòng)脈沖相同，相同橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)，分別在高頻變壓器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)產(chǎn)生占空比為 50%的方波電壓vh1和vh2。而在兩個(gè)全橋之間的對(duì)應(yīng)的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖存在一個(gè)移相比D(或移相時(shí)間DThs)，所以vh1和vh2之間也存在移相時(shí)間DThs，其中Ths是半個(gè)開關(guān)周期。對(duì)于不同的功率傳輸方向，移相比D的取值范圍為(?0.5，0.5)，功率總是從超前相位側(cè)流向滯后相位側(cè)。通過調(diào)節(jié)移相比D就可以調(diào)節(jié)雙有源橋的功率流動(dòng)的大小和方向，進(jìn)而也可以調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的大小。

電能路由器并網(wǎng)時(shí)，高壓直流端口連接中壓直流配電網(wǎng)接入能量，綜合控制器細(xì)節(jié)框圖如圖 5所示，能量控制器(Automatic energy regulator，AER)流入低壓直流母線電壓的能量與流出電能路由器的能量穩(wěn)定；電流控制調(diào)節(jié)器(Automatic current regulator，ACR)用于協(xié)調(diào)中壓配電網(wǎng)輸入電流平衡；三相逆變器采用雙閉環(huán)控制；DC/DC變換器采用Boost變換采用ACR控制輸出電流。

4 仿真分析

為驗(yàn)證端口能量綜合控制的有效能，在Matlab/Simulink軟件里面搭建了如圖1所示的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，與傳統(tǒng)PI控制結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明端口能量平衡綜合控制方法在負(fù)載功率變化的瞬態(tài)響應(yīng)的有效性。仿真電路參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)仿真電路參數(shù)

為了對(duì)比綜合控制器和 PI傳統(tǒng)控制對(duì)穩(wěn)態(tài)性能調(diào)節(jié)的效果，對(duì)低壓直流母線的控制分別采用端口能量平衡綜合控制器和PI控制器，低壓直流母線電壓波形圖如圖6所示。仿真在0.50 s時(shí)，負(fù)載功率由1.2 kW突增至6.2 kW，由圖5可知，采用傳統(tǒng)PI控制器時(shí)，由于各級(jí)變換器之間存在控制響應(yīng)延遲，造成負(fù)荷波動(dòng)時(shí)母線電壓產(chǎn)生抖動(dòng)，而端口能量平衡綜合控制器由于從整體能量變化出發(fā)，所以系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較高，在仿真中只存在輕微抖動(dòng)，綜合控制器的效果比采用傳統(tǒng)PI控制器的好。

由于雙有源橋的控制采用的是單移相控制，存在較大的功率回流，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓存在較大的諧波。對(duì)于諧波，使用容量更大、性能更好的電容來改善輸出是一種辦法；第二是采用更加復(fù)雜的對(duì)于雙有源橋的控制辦法，比如雙移相或者三移相控制方法。這些更加復(fù)雜的辦法最后還是存在一個(gè)等效占空比id。作為綜合控制，本文的重點(diǎn)在于電能路由器的中體控制上面。

當(dāng)?shù)蛪褐绷髂妇€電容值在較大范圍變化時(shí)，對(duì)低壓直流母線電壓諧波峰值的影響如圖7所示。當(dāng)直流母線電容增大時(shí)，直流母線電壓響應(yīng)的諧波峰值會(huì)減小。采用能量平衡控制的低壓母線電壓波動(dòng)整體優(yōu)于PI控制的低壓直流母線電壓。圖7表示在一定的母線電壓瞬態(tài)峰值下，采用端口能量綜合控制可以減少母線電容的設(shè)計(jì)容量，優(yōu)化系統(tǒng)的體積與質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文針對(duì)直流配電網(wǎng)電能路由器，分析了各端口能量流動(dòng)情況，設(shè)計(jì)了基于端口能量平衡的綜合控制器和能量平衡的均壓控制方法。通過仿真對(duì)比分析了直流母線在負(fù)載突變的情況下不同控制方法中的響應(yīng)情況，得到如下結(jié)論。

(1) 端口能量平衡控制在直流配電網(wǎng)電能路由器上的有效性能夠綜合控制能量在電能路由器上靈活穩(wěn)定流動(dòng)，提高母線運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低電網(wǎng)波動(dòng)。

(2) 本文提出的綜合控制方法改善了變換器的響應(yīng)性能，可以減小低壓母線電容的設(shè)計(jì)容量，進(jìn)而能夠減少系統(tǒng)的體積。